一种实时远程监测的智能老人健康手环的制作方法

本实用新型涉及智能设备技术领域，具体涉及一种实时远程监测的智能老人健康手环。

背景技术：

我国可穿戴健康发展正在兴起：中国科技大学的陈峰研究了助力辅助机器人技术，其涉及机器人学、人体工程学、控制理论、传感器技术、信息处理技术等。设计出辅助运动助力机器人，可以提高老年人，残疾人的运动灵活性，在消防救灾，反恐中可以提高运行能力，在健康领域、生产生活甚至军事领域都有很大的影响。北京工业大学的李娜研究了人体运动状态的识别，运用网络技术，手机数据，长期监测数据，分析人体运动状态习惯，对不同年龄阶段人群提供总结性提示建议。华南理工的魏旭东研究了可穿戴健康设备的社区化网络管理，这一研究对于我国逐步完善的养老制度和设施很有意义，社区化养老社区化管理，将能够极大提高养老质量和覆盖面。老年人健康状况备受关注。

对于市场上的智能手环，虽然能够实时采集老人的心率，但是无法实现远距离的传输，子女对父母的身体健康无法实时掌控。独居老人发生意外，邻居上门探望发现老人晕倒等情况经常发生，老人在摔倒后一旦发生意外无法呼救，不能在第一时间得到救治，有可能会造成很危险的后果。基于此本实用新型设计了一款老人使用的智能手环，借助4G和WIFI进行远距离传输，子女远端查看，有效避免老人受到意外伤害。

针对我国可穿戴健康发展刚刚兴起，尤其是针对老年人健康的智能化市场尚未处于空白状态。本新型实用通过设计硬件手环和配套软件APP，结合网络技术，借助如今普及的智能手机和4G网络时代，设计出一套老人健康守护系统，减少意外造成的伤害，为老人健康增添一份保障。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种实时远程监测的智能老人健康手环，用于健康监测，实现实时远程监测，实现对佩戴手环者进行跌倒监测和健康状况异常监测，并及时报警提醒。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种实时远程监测的智能老人健康手环，包括手环，手环上设有控制模块和分别与控制模块连接的电源模块、心率处理模块、加速度计模块、显示模块、蓝牙模块和WIFI模块。

按上述方案，控制模块包括STM32F103CBT6控制器。

按上述方案，电源模块包括纽扣电池和低压差线性稳压器芯片。

按上述方案，低压差线性稳压器芯片的型号为ASM1117-3.3。

按上述方案，心率处理模块包括依次串联的第一RC电路、第二RC电路和发光二级管LED1，第一RC电路包括心率传感器U1。

按上述方案，第一RC电路还包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3、运放U2，心率传感器U1的端口1与电阻R3的一端连接，心率传感器U1的端口2和端口5接地，心率传感器U1的端口3与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端和电阻R3的另一端均与电源VCC连接，心率传感器U1的端口6与电阻R1的一端、电阻R6的一端和电容C2的一端连接，电阻R1的另一端接地，电容C2的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与电容C1的一端、电阻R2的一端和运放U2的端口1连接，运放U2的端口2与电阻R6的另一端和电容C3的一端连接，电容C3的另一端与心率传感器U1的端口4连接，并接地，运放U2的端口3与电阻R2的另一端、电容C1的另一端和第二RC电路连接。

按上述方案，第二RC电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C4、运放U1、运放U3、运放U4和运放U5，运放U5的端口2与电阻R8的一端和第一RC电路连接，电阻R8的另一端与运放U3的端口2和电阻R7的一端连接，运放U5的端口1与运放U5的端口3和电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与运放U3的端口1和电容C4的一端连接，电容C4的另一端接地，运放U3的端口3与电阻R7的另一端和运放U4的端口2连接，运放U4的端口1与运放U4的端口3和电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与发光二级管LED1的输入端连接，发光二级管LED1的输出端接地。

按上述方案，心率传感器U1的型号为SON7015。

按上述方案，加速度计模块包括MPU6050运动轨迹跟踪芯片，显示模块包括OLED显示屏。

按上述方案，所述的智能老人健康手环还包括上位机，控制器模块通过WIFI模块或通过蓝牙模块与上位机连接。

本实用新型具有以下有益效果：

蓝牙模块通过电信号与上位机连接，利用心率采集传感器实时采集佩戴者的心率；利用蓝牙模块发送到佩戴者携带的上位机上；利用显示模块可以让佩戴者实时观测自己的心率；利用WIFI模块可以将心率数据进行远距离发送至网络服务器，网络服务器开放一个公共端口，端口允许客户端多连，只要有网络覆盖的地方，远程上位机向服务器申请建立连接获取心率数据；利用远程上位机可以实时监测家中老人的心率数据。当手环处于没有WIFI网络覆盖的范围内，佩戴者携带的上位机通过蓝牙模块接收到的心率数据，可以通过上位机的4G网络上传到网络服务器，用于健康监测，实现实时远程监测，利用加速度传感器可以检测手环佩戴者是否跌倒，若出现老人跌倒或心率异常，利用WIFI模块向远程上位机将发出警报，提醒亲属处理，实现对佩戴手环者进行跌倒监测和健康状况异常监测，并及时报警提醒。

附图说明

图1是本实用新型中的实时远程监测的智能老人康乐手环的原理示意图；

图2是本实用新型中的控制模块的对外连接示意图；

图3是本实用新型中的电源模块的原理示意图；

图4是本实用新型中的心率传感器模块的原理示意图；

图5是本实用新型中的RC串联电路阻抗平率特性图；

图6是本实用新型中的RC并联电路阻抗频率特性图；

图7是本实用新型中的手环佩戴者静止状态心率信号测量波形图；

图8是本实用新型中的手环佩戴者运动状态心率信号测量波形图；

图中，1-控制模块，2-电源模块，3-显示模块，4-WIFI模块，5-心率采集模块，6-蓝牙模块，7-加速度计模块，8-上位机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。

参照图1～图8所示，本实用新型所述的实时远程监测的智能老人健康手环，包括手环，手环上设有控制模块和分别与控制模块连接的电源模块、心率处理模块、加速度计模块、显示模块、蓝牙模块和WIFI模块，与WIFI模块连接的上位机；蓝牙模块通过电信号与上位机连接，利用心率采集传感器实时采集佩戴者的心率；利用蓝牙模块发送到佩戴者携带的上位机上；利用显示模块可以让佩戴者实时观测自己的心率；利用WIFI模块可以将心率数据进行远距离发送至网络服务器，网络服务器开放一个公共端口，端口允许客户端多连，只要有网络覆盖的地方，远程上位机向服务器申请建立连接获取心率数据；利用远程上位机可以实时监测家中老人的心率数据。当手环处于没有WIFI网络覆盖的范围内，佩戴者携带的上位机通过蓝牙模块接收到的心率数据，可以通过上位机的4G网络上传到网络服务器，用于健康监测，实现实时远程监测，利用加速度传感器可以检测手环佩戴者是否跌倒，若出现老人跌倒或心率异常，利用WIFI模块向远程上位机将发出警报，提醒亲属处理，实现对佩戴手环者进行跌倒监测和健康状况异常监测，并及时报警提醒。

进一步地，控制模块包括STM32F103CBT6控制器，控制模块设置于手环的下层中心。

进一步地，电源模块包括纽扣电池和低压差线性稳压器芯片，电源模块还包括电源电路，纽扣电池通过电源电路与低压差线性稳压器芯片，电源模块通过数据线与控制模块连接，电源模块设置于手环的上层左端。

进一步地，低压差线性稳压器芯片的型号为ASM1117-3.3。

进一步地，心率处理模块包括依次串联的第一RC电路、第二RC电路和发光二级管LED1，第一RC电路包括心率传感器U1。

进一步地，心率传感器U1的型号为SON7015。

进一步地，第一RC电路还包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3、运放U2，心率传感器U1的端口1与电阻R3的一端连接，心率传感器U1的端口2和端口5接地，心率传感器U1的端口3与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端和电阻R3的另一端均与电源VCC连接，心率传感器U1的端口6与电阻R1的一端、电阻R6的一端和电容C2的一端连接，电阻R1的另一端接地，电容C2的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与电容C1的一端、电阻R2的一端和运放U2的端口1连接，运放U2的端口2与电阻R6的另一端和电容C3的一端连接，电容C3的另一端与心率传感器U1的端口4连接，并接地，运放U2的端口3与电阻R2的另一端、电容C1的另一端和第二RC电路连接。

进一步地，第二RC电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C4、运放U1、运放U3、运放U4和运放U5，运放U5的端口2与电阻R8的一端和第一RC电路连接，电阻R8的另一端与运放U3的端口2和电阻R7的一端连接，运放U5的端口1与运放U5的端口3和电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与运放U3的端口1和电容C4的一端连接，电容C4的另一端接地，运放U3的端口3与电阻R7的另一端和运放U4的端口2连接，运放U4的端口1与运放U4的端口3和电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与发光二级管LED1的输入端连接，发光二级管LED1的输出端接地。

进一步地，心率处理模块还包括SON3130运动心率算法集成芯片，通过数据线与控制模块连接，心率处理模块设置于手环的下层左端。

进一步地，加速度计模块包括MPU6050运动轨迹跟踪芯片，通过数据线与控制模块连接，加速度计模块设置于手环的下层左端。

进一步地，显示模块包括0.96寸OLED显示屏，通过数据线与控制模块连接，显示模块设置于手环的上层中端。

进一步地，蓝牙模块通过数据线与控制模块连接，蓝牙模块设置于手环下层右端，控制模块可通过蓝牙模块与上位机连接，上位机为手机或计算机。

进一步地，WIFI模块通过数据线与控制模块连接，WIFI模块设置于手环下层右端，控制模块可通过WIFI模块与上位机连接，上位机采用手机或计算机。

进一步地，所述的智能老人健康手环还包括上位机，控制器模块通过WIFI模块或通过蓝牙模块与上位机连接。

本实用新型的一个实施例中，本实用新型的工作原理：

本实用新型提供了一种实时远程监测的智能老人康乐手环，为了使其易于维护，具有可扩充性、可重构性及可操作性，可在其开发设计过程中采用模块化方法，具体结构如图1所示，以控制模块为中心，并设有与控制模块相连的电源模块、心率处理模块、加速度计模块、显示模块、蓝牙模块、WIFI模块，与WIFI模块连接的上位机；蓝牙模块通过电信号与上位机连接。

所述控制模块设置在手环下层中心，用于控制各个传感器和信号处理。该控制模块采用STM32F103CBT6。其中：所述控制模块的结构图如图2所示，有STM32控制平台分别完成的4个功能，分别是：采集心率、跌倒检测、心率显示、打包发送等。STM32F103CBT6作为智能手环的控制核心，其功能如下：用来接收心率采集模块发送过来的脉冲信号，从而计算出佩戴者的实时心率；用来接收MPU6050加速度传感器发送过来的用户姿态数据，从而判断出佩戴者是否摔倒；用来将佩戴者的心率值实时显示在OLED显示屏幕上；用来将心率数据打包通过蓝牙发送到佩戴者随身上位机上；用来将心率数据发送到网络服务器上供远程上位机接收。

所述电源模块设置在手环的上层左端，用于给手环硬件供电。其中：所述电源模块的结构图如图3所示，硬件系统支持电压范围不超过3.6V，可选用纽扣电池供电，同时可使用锂电池供电，当使用5V电池时，选用降压稳压电路供电，稳压电路使用低压差线性稳压器芯片ASM1117-3.3，输出1A电流时，最低输入输出电压差1.2V。当使用3.7V锂电池供电时，由于STM32F103工作电压范围2.0-3.6V，跳过ASM1117-3.3V芯片，选择主电路中串入1N4007二极管，二极管压降最大0.7V，整个电路电压平均3.1V。

所述心率处理模块设置在手环下层左端，用于实时监测手环佩戴者的心率。其中：所述心率处理模块的结构图如图4所示。光敏芯片拾取信号经过内部运放放大输出电流信号，经过输出电阻R1将在电阻上产生的压降传递到下一级电路，经过运放U2电路进行滤波和加减放大。U2正输入端和VCC之间并联C3，可起到抑制信号中高频噪声的作用，C3和输入信号之间放置R6电阻，可以减小电容C3两端电压对输入信号的影响。输入信号通过串联电容C2和电阻R4接入U2负输入端，交流信号通过电容，并不是完全允许通过，RC串联电路会对交流信号有一定的阻碍作用。其阻碍作用大小在一定范围内会跟随频率变化，达到某个频率时，信号大于此频率，RC电路对信号的阻抗大小不再改变，保持这一最小阻抗值。其阻抗频率特性曲线如图5所示。

由于输入信号中我们需要提取的心率范围一般在60-100BPM，换算为频率为1-1.6Hz之间，属于频率较低信号，因此在对电容C2容值参数进行选择时要能够抑制噪声进入放大电路中，U2运放负输入端和运放输出端接反馈电路，用来控制放大倍数，反馈电路由电阻和电容并联组成，RC并联电路存在转折频率，其频率特性曲线如图6所示，RC并联电路对低频信号的阻抗大。结合RC串联电路和RC并联电路可知，输入信号首先经过RC串联电路，RC串联转折频率为0.79Hz，对大于0.79Hz的信号阻碍作用小，更容易通过，反馈电路采用RC并联，RC并联电路转折频率为1.59Hz，当信号小于1.59Hz时，反馈电路阻抗较大，放大电路放大倍数越大，即输出信号中大于1.59Hz的信号被抑制，达到选频放大的效果。

经过U2选频放大输出信号进入下一级运算放大电路，下一级运放电路由U5和U3共同构成，U5做电压跟随器功能使用，输出信号和输入信号相位大小完全一样，电压跟随器输入阻抗很大，输出阻抗很小，负载能力较大，起到阻抗变换的作用。经过U5阻抗变换之后输出信号输入U3，U3负输入端放置一阶RC低通滤波器电路，对高频信号进行滤波，达到低通的效果。U3电路对于频率低于2.4Hz的信号进行有效放大，此处对输入信号的放大倍数接近10⁴倍，前面我们在分析心率信号时，可以发现每次心跳，检测到的信号都会有一个很大的峰值，在此即通过对低频信号进行大倍数放大，放大到截止幅值，对高频率信号最大限度的抑制，这样U3输出信号近似为一个脉冲信号，每次心跳信号峰值出现即转换成稳定的高电平，峰值未出现时噪声信号幅值接近于0，这样调理后就将心率信号转换成便于检测的脉冲信号，最后输出级仍然通过一个电压跟随器进行阻抗变换，提高负载能力。在最后一级电压跟随器输出端放置一个发光二极管，将心率信号通过LED的闪烁显现出来。手环佩戴者在静止状态和运动状态的心率信号测量波形分别如图7和图8所示。心率脉冲信号送入控制模块处理得到实时心率值。

所述加速度计模块设置在手环的下层左端，用于老人跌倒监测。MPU6050加速度计整合6轴运动状态组件，减小了模块体积，消除了在焊接过程中陀螺仪和加速度计轴间差问题，内置数字可编程低通滤波器，需要时可在程序中设置滤除高频振动，这样可以减小佩戴者在运动过程中的跌倒误判。

所述显示模块设置在手环的上层中端，其通过数据线与控制模块连接，用于接收并显示佩戴者实时心率值以及是否跌倒。该显示模块由有机发光二极管(OLED)组成，又称为有机发光半导体，属自发光性、广视角、高对比度、节能显著、可柔性弯曲等特点。OLED的特色在于其核心可以做的很薄，厚度仅为液晶的1/3，本实用新型选用0.96寸OLED作为手环显示屏幕，体积小巧，适合在小空间内安装。

所述蓝牙模块设置在手环下层右端，其通过数据线与控制模块连接，用于在没有WIFI的情况下，通过蓝牙把心率数据和跌倒检测发送到手环佩戴者携带的上位机，然后佩戴者携带的上位机通过4G网络把蓝牙数据发送到网络服务器，用于远程上位机的监测。

所述WIFI模块设置在手环下层右端，其通过数据线与控制模块连接，用于实现把心率数据和跌倒检测打包发送到网络服务器上，用于远程上位机的检测。

所述上位机采用手机或计算机终端。

上述实施例提供的实时远程监测的智能老人健康手环，其工作过程是：系统在上电后，首先通过心率采集传感器实时采集手环佩戴者的心率，通过加速度传感器检测手环佩戴者的跌倒测试，两个传感器检测到的数据通过数据线发送到主控制器STM32F103CBT6中，通过主控制器的处理，把实时心率值和运动状态显示在OLED显示屏上。在室内有WIFI的情况下，主控制器将心率传感器和加速度传感器数据打包，通过WIFI模块发送至网络服务器。网络服务器开放一个公共端口，端口允许客户端多连，远端上位机在收发网络数据时，向服务器申请建立链接，进行数据接收和发送。网络服务器根据数据包内包含的识别信息，来进行数据实时分发。远端上位机接收到数据包，进行数据解包，通过正则表达式提取数据，更新UI，在意外状态出现时进行状态报警提示。在室外没有WIFI的情况下，主控制器将心率传感器和加速度传感器数据打包，通过蓝牙模块将数据发送到佩戴者携带的上位机上，经过佩戴者上位机的4G网络向服务器建立链接，进行数据接收和发送。然后远程上位机同样接收到数据包，进行实时监测。

以上的仅为本实用新型的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等效变化，仍属本实用新型的保护范围。